1 南开大学物理科学学院，泰达应用物理研究院，弱光非线性光子学教育部重点实验室，天津 300071
2 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
光学元件的小型化与集成化一直是光场调控和集成光学领域的研究重点与难点之一。光学人工微结构具有在亚波长尺度上灵活调控光场振幅、偏振、相位、频率等属性的能力。通过与片上光波导或微腔集成，人工微结构可以为实现更紧凑的片上集成光子学器件以及更精确、更丰富的光场调控提供新的解决方案和更多的可能性。本文依据片上集成人工微结构在不同环节中调控的光场类型的差异，将其分成三类进行了讨论。介绍了基于不同设计原理的片上集成人工微结构在自由空间光入射耦合、波导模式面内调控以及离片辐射场调控方向的研究进展，并对该领域的部分新兴方向进行了展望。
人工微结构 超构表面 光场调控 集成光学 微纳光学 光学学报
2024, 44(10): 1026004
1 浙江工业大学理学院，智能光电研究所，浙江 杭州 310023
2 山东大学激光与红外系统集成技术教育部重点实验室，山东 青岛 266237
针对传统混合区域振幅自由度（MRAF）算法衍射效率低、非信号区域有散斑等问题，提出一种改进的MRAF算法。该算法引入球面相位作为初始相位，使用动态振幅限制，利用基于全域振幅限制的迭代方案确定最佳Z值，并使用爬山邻域算法对得到的相位进行分段式迭代优化，从而改善了非信号区域由于完全无振幅限制有散斑的问题。具体地，在全区域振幅限制阶段所提算法确保了目标光斑的匹配性并可以抑制散斑效应，而在混合区域振幅限制阶段则减小了误差。通过在三角形上进行数值仿真，对最终获得的结果进行光学实验仿真，结果表明，改进后的MRAF算法有97.77%高的衍射效率和0.09%低的均方根误差，并且峰值背景比（PBR）由0.0079提高至2.0357，相比基础的MRAF算法，对目标区域外围的散斑抑制效果更好，具有更高的应用价值。
衍射光学元件 光束整形 迭代算法 衍射光学元件设计 微纳光学 光学学报
2023, 43(22): 2223002
1 唐山师范学院物理科学与技术学院, 河北 唐山 063000
2 深圳大学微纳光电子学研究院/纳米光子学研究中心, 深圳市微尺度光信息技术重点实验室, 广东 深圳 518060
表面等离激元自诞生以来已有一百多年的历史, 并逐渐形成了一门新的学科--表面等离激元光子学。 位于金属纳米结构中的局域表面等离激元可产生非常显著的近表面电场增强, 并成功应用于诸多研究领域当中, 而对局域表面等离激元与外界入射光中磁场的相互作用的研究则相对较少。 该研究在前期已有的研究基础之上模拟计算了金属纳米球-纳米圆盘结构间隙处的近表面电、 磁场增强, 研究结果表明该结构在单束紧聚焦径向偏振光束的激发下, 金属纳米圆盘产生局域表面等离激元呼吸模式和上下表面处的电偶极矩模式, 该模式使圆盘中心纵向表面电场得到增强。 由于金属纳米圆盘与金属纳米球的局域表面等离激元电偶极矩的耦合共振相互作用, 可以形成纵向电场得到有效增强的局域表面等离激元共振间隙模式。 通过数值模拟计算研究, 证明该金属纳米结构间隙模式的纵向电场分量相对于径向偏振入射光的有效激发横向电场分量即近表面电场的增强因子高达250倍; 而近表面磁场的增强因子高达170倍。 为了更清晰地展现出这种新型金属纳米结构的光谱特性以及近表面电、 磁场分布特征, 还展示出了该金属纳米结构的近表面电场增强分布、 近表面磁场振幅分布以及近表面电、 磁场共振波长的对比分析, 计算结果表明所提出的金属纳米球-纳米圆盘结构具有明显的局域近表面电、 磁场增强优势以及较宽的频谱波段。 由于本文提出的金属纳米结构具有电、 磁场增强优势, 希望计算结果能应用到更多的研究领域当中, 尤其是生物医学等领域, 为人们抗击疫情提供一点点参考和帮助。
微纳光学 金属纳米球-纳米圆盘 表面等离激元共振 电磁场增强 Micro-nano optics Metal nanosphere-nanodisc Surface plasmon resonance Electromagnetic field enhancement 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1098
西北大学物理学院光子学与光子技术研究所，陕西 西安 710127
太赫兹波作为未来6G通信的一个重要波段，是目前光学和电子学交叉方向的研究热点，但是其中的太赫兹源，尤其是基于微纳光学的集成型太赫兹源备受关注。基于纳米天线阵列中的等离子体共振响应特性，设计了一种宽波段的太赫兹辐射源。利用麦克斯韦方程和金属等离子体的动力学方程，研究了纳米天线阵列在脉冲激光激发下太赫兹时域信号的产生过程。研究发现产生的太赫兹辐射的偏振和入射光的偏振垂直，其发射带宽和激发光的脉宽密切相关。纳米天线阵列具有可设计和易集成性，有望在集成型太赫兹源器件方面有较好的应用，并为未来基于表面等离子体光学的太赫兹源设计提供理论基础。
光通信 纳米天线 太赫兹辐射 微纳光学 表面等离子体 光学学报
2022, 42(15): 1506001
西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
基于对全息平板波导显示系统中核心全息光学元件的研究，采用双光束干涉法和相应的后处理工艺，在以石英玻璃为基底、重铬酸盐明胶为记录介质的全息干板上制备了具有折射率调制的反射型体全息光栅，并研究了不同曝光强度、折射率调制度、水洗时间对光栅衍射效率的影响。实验结果表明，经441.6 nm的He-Cd激光光源记录以及复杂的后处理工艺，最终制备的反射型体全息光栅衍射效率最高可达到61.8%，在可见光入射条件下产生了明显的分光效果。制备的全息实验样片在满足全反射的前提下可进行波导传输，为提高头戴式设备和增强现实等显示设备在传输过程中的衍射效率提供了一种新方法。
光栅 微纳光学 反射型体全息光栅 平板波导 衍射效率 干涉 激光与光电子学进展
2022, 59(3): 0305001
1 上饶幼儿师范高等专科学校, 江西 上饶, 334000
2 温州大学电气与电子工程学院微纳光电器件重点实验室, 浙江 温州 325035
卤族钙钛矿量子点暴露在空气中,其发光效率通常很难保持稳定。本文采用磁力搅拌的方法把溴化铅铯量子点掺入到柔性微透镜阵列聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜中,显著提高了溴化铅铯量子点的稳定性。实验研究发现制备的溴化铅铯量子点PDMS膜浸泡在水中和反复拉伸1000次其发光效率不下降。重要的是在PDMS表面引入微透镜阵列结构,发现微透镜阵列能够显著提高溴化铅铯量子点PDMS膜的发光效率和疏水性。这种柔性微透镜阵列量子点PDMS膜有望用于柔性LED中提高器件的发光效率和疏水性。
微纳光学 钙钛矿量子点 微透镜阵列 发光效率 疏水性 中国激光
2021, 48(13): 1313001
1 中国科学院上海应用物理研究所, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 上海同步辐射光源, 上海 201204
表面等离激元是一种局域在金属和介质之间的电磁波,与金属表面自由电子的集体振荡有关,具有高度局域和近场增强的特性。为此,利用表面等离激元谐振腔对红外窄谱增强成像设备进行设计,单个纳米等离激元谐振腔由两片金属银层构成。模拟结果表明,该纳米等离激元谐振腔在红外波段起到窄谱吸收的作用,在纳米等离激元谐振腔中,吸收波段得到较大的电场增强,并且可以同时屏蔽不需要的波段。这种窄谱的CCD(Charge Coupled Device)有望应用在高分辨成像和日用红外CCD等领域,并且该设计展示出利用硅半导体CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)平台制作波长约为800 nm的近红外CCD的商业应用价值。
表面光学 表面等离激元 微纳光学 近红外 时域有限差分
中国人民解放军火箭军工程大学作战保障学院, 陕西 西安 710025
为了探究碧凤蝶鳞片的光学特性及其形成机理,通过填充酒精溶液与改变入射角度的方式开展了碧凤蝶鳞片的变色实验,对前后翅鳞片的微观结构形态进行了观测与分析。构建了结构色鳞片的仿生结构模型,并结合传输矩阵法模拟鳞片膜系结构的反射光谱特性。碧凤蝶翅膀边缘黄绿色与青色区域表面均由下层蜂窝状网格陷光结构的黑褐色基鳞与上层褶皱凹坑状膜系结构的彩色鳞片构成。彩色鳞片由表面微凹坑底部与侧壁的2种结构色混合而成,且受天然光子晶体膜系结构及其精细尺寸的影响,对有机溶液、光照条件等具有敏感性变色特征。碧凤蝶鳞片具有的独特光学特性可为自适应变色伪装、传感检测等仿生智能材料领域提供一定的参考。
微纳光学 鳞片 光学特性 结构色 仿生
红外与激光工程
2020, 49(9): 20201040
1 苏州大学光电科学与工程学院, 江苏 苏州 215006
2 教育部现代光学技术重点实验室, 江苏省先进光学制造技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
3 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所, 江苏 苏州 215123
石墨烯作为一种特殊的二维材料,具有十分优异的物理性质,将石墨烯和微纳器件相结合已经成为当今的研究热点之一。在中红外到太赫兹波段,石墨烯可以激发表面等离子体,用于实现多功能可调谐器件。将石墨烯等离子体与硅基亚波长金属光栅相结合,提出了工作于红外波段的透射式宽带光调制器。通过施加偏置电压改变石墨烯的费米能级,实现在7~22 μm宽带内对透射光的调制,调制深度最高可以达到99.96%(33.77 dB)。
光学器件 光调制器 石墨烯 可调谐性 微纳光学 红外光 激光与光电子学进展
2020, 57(23): 232301
